CN103529820A - 一种适用于嵌入式设备的故障注入测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于嵌入式设备的故障注入测试系统及测试方法，不改变待测嵌入式系统的硬件状态，利用系统自带的总线接口和内部可编程逻辑器件的灵活性实现故障注入，不会对待测系统造成物理损伤，可靠性高；故障注入测试不受距离的限制，在总线可靠传输距离内都可以进行故障注入测试，使用灵活方便；该故障注入测试系统采用软件硬件相结合的方法对待测目标系统硬件和软件进行测试，可实时、有效地完成故障注入，通过故障回收系统运行信息，可对嵌入式系统的容错性能给出客观的评价，进而为嵌入式系统设计人员改进硬件设计和软件的纠错、容错能力提供重要依据，最终实现高可靠性和高安全性的嵌入式系统运行环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种故障注入测试系统及测试方法，尤其涉及一种适用于嵌入式设备的故障注入测试系统及测试方法，属于测试技术领域。
背景技术
航空航天飞行器内部各种嵌入式电子设备的可靠性要求极高，在运行过程中还容易受到各种环境因素的干扰，给飞行任务顺利完成带来的不确定性因素越来越多。如卫星上使用的计算机，会面临高空粒子辐射的环境，由此引发的单粒子效应会导致计算机的软、硬件故障或失效；又如在电磁战环境下工作的计算机，受到强的电磁脉冲干扰也会引起计算机的程序运行出现错误。在嵌入式电子设备的前期研制过程中，为了对其抗恶劣环境特性及发生故障后的故障恢复能力进行验证，除了进行重粒子场或强电磁脉冲环境场效应试验以外，利用故障注入进行模拟也是获得其性能验证的一个重要手段。
故障注入技术主要通过人为向系统引入故障，缩短故障潜伏期，加速系统的失效来分析系统对于故障的反应。目前，国内外普遍采用的故障注入技术从实现机制上来讲，可以分为两类：基于硬件实现的故障注入和基于软件实现的故障注入。基于软件的测试方法与硬件方法相比，成本较低，对系统不会产生物理损害，而且可以引入硬件无法到达的位置注入故障。
专利申请号为200610150972.4、发明名称“一种嵌入式故障注入系统及其方法”，专利权人为杨孝宗；刘宏伟等。该发明提供了一种嵌入式故障注入系统，它的主控计算机通过ISA总线/串口数据转换CPLD电路、主控FPGA电路与同步控制FPGA电路、注入控制FPGA电路、方向控制FPGA电路、80X86处理器插脚、80X86处理器插座互相数据连接。该专利采用的是直接对硬件管脚进行的硬件逻辑故障注入，本专利采用的是通过总线进行软硬件结合的故障注入；该专利针对80X86处理器进行故障注入，本专利针对所有类型的处理器和FPGA进行故障注入，注入方法更加灵活，注入设备的类型更普遍。
专利申请号为201120350607.4、发明名称“一种面向电路系统自动控制的故障注入系统”，专利权人为马立元；连光耀；魏忠林等。该发明公开了一种面向电路系统自动控制的故障注入系统，属于电路系统的故障注入技术领域。包括上位机控制单元、故障信号产生模块和故障注入模块，所述上位机控制单元通过串口与故障信号产生模块双向连接，所述故障信号产生模块通过串口与故障注入模块双向连接。该发明侧重于地面故障注入设备，包括上位机、故障产生、故障注入的系统组成和功能单元，属于单一设备级；而本专利侧重于地面故障注入设备和嵌入式被测试设备之间的信号连接，故障注入过程和功能模块组成，属于系统级别，该发明属于本专利的地面设备部分，本专利内容更加全面。
专利申请号为201110117486.3、发明名称“一种串口数据故障注入方法和装置”，专利权人为付景志；彭时涛。该发明提供了一种串口数据故障注入方法和装置，该方法包括：根据配置的输入信号波特率采集串口数据；根据配置的输出信号波特率输出采集到的串口数据。该方法能够灵活地改变串口数据的传输速度，且故障注入可重复实现，可量化操作。该发明侧重于规定故障注入时异步串行通信UART的接口标准、信号采集和处理方法；属于故障注入时的一个简单设备环节，不涉及故障注入系统和具体的故障注入功能单元，和本专利侧重点不同。
文章“星载SAR计算机的故障注入测试系统设计”，刊登在《现代雷达(测试技术)》2006年第28卷第9期。文章介绍了一种基于软件、硬件和仿真技术于一体的故障注入系统，该系统在使用故障注入器进行故障注入时需要先将被测系统板上的核心器件（CPU和EPROM）取下，由注入器中的CPU和RAM代替被测系统的核心器件，这时故障注入器相当于仿真器，运行被测试软件。该文章只对软件进行故障注入，且需要改变被测试系统的硬件状态，使用不够灵活、方便。与本专利在实验方法和实验系统的搭建上有明显区别。
文章“嵌入式计算机系统中的故障注入技术”，刊登在《舰船电子工程》2005年第5期。文章对故障注入技术的内涵进行阐述，并介绍了几种常用的故障注入技术及其相关原理和特点，并目针对嵌入式系统中的几种常用故障注入工具，描述了它们的体系结构及属性。该文章比较笼统的对嵌入式系统的故障注入技术进行了描述，没有针对具体的某项技术展开详细论述，也没有具体的实现方法和系统介绍，本专利将文中所讲的物理故障注入技术和软件方式故障注入技术进行有机结合，达到硬件和软件故障都可注入的效果，并给出具体的实现方案，内容更具体，操作性更强。
目前尚未收集到针对嵌入式系统比较全面完整的包括地面故障注入设备、待测嵌入式设备、注入途径等方面在内的公开技术资料和专利。但是，在航空航天等高可靠性嵌入式电子设备的前期研制过程中，利用故障注入对其进行模拟是获得其性能验证的一个重要手段。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于嵌入式设备的故障注入测试系统及测试方法，可靠性高，实时性好。
本发明的技术解决方案是：一种适用于嵌入式设备的故障注入测试系统,包括故障注入及回收设备和待测嵌入式设备，故障注入及回收设备与待测嵌入式设备之间通过总线相连接；故障注入及回收设备：采用工业控制计算机完成故障注入模式存储、故障注入和故障回收；待测嵌入式设备：包括通过内部总线相连接的FPGA、CPU、SDRAM和总线控制器，FPGA运行硬件检测程序用于接收硬件故障注入模式和改变待测硬件管脚状态，CPU通过总线控制器接收故障注入及回收设备注入的故障模式，CPU通过运行嵌入式软件完成硬件故障注入模式转发、对待测软件模块进行软件故障注入、硬件故障结果和软件故障结果回收及发送；SDRAM用于存储待测嵌入式软件。
一种适用于嵌入式设备的故障注入的测试方法,步骤如下：
（1）故障注入及回收设备中运行的故障注入模式选择模块选择故障注入模式，故障注入模块将被选的故障注入模式通过总线发送至待测嵌入式设备；
（2）CPU接收故障注入及回收设备发送的故障注入模式，运行在CPU中的嵌入式软件通过故障判断中转模块对故障注入模式进行判断，如果故障注入模式是硬件故障注入模式，则将硬件故障注入模式转发至FPGA中的硬件故障注入接收模块，然后执行步骤（3）；如果故障注入模式是软件故障注入模式，则将软件故障注入模式发送至软件故障注入接收模块，然后执行步骤（4）；
（3）FPGA中运行的待测硬件管脚状态更改模块根据接收的硬件故障注入模式更改相关硬件管脚状态，硬件管脚状态的硬件故障结果由运行在CPU中的故障结果回收及发送模块进行回收；
（4）软件故障注入接收模块将接收的软件故障注入模式注入到待测软件模块中，待测软件模块根据软件故障注入模式产生软件故障结果，软件故障结果和硬件故障结果由故障结果回收及发送模块进行回收并通过系统总线发送至故障注入及回收设备；
（5）故障注入及回收设备中的故障回收模块接收待测嵌入式设备发送的软件故障结果和硬件故障结果，故障回收模块根据故障注入模式对软件故障结果和硬件故障结果进行处理并将处理结果进行显示，完成测试。
本发明与现有技术相比有益效果为：
（1）本发明不改变待测嵌入式系统的硬件状态，利用系统自带的总线接口和内部可编程逻辑器件的灵活性实现故障注入，不会对待测系统造成物理损伤，可靠性高；故障注入测试不受距离的限制，在总线可靠传输距离内都可以进行故障注入测试，使用灵活方便；
（2）该故障注入测试系统采用软件硬件相结合的方法对待测目标系统硬件和软件进行测试，可实时、有效地完成故障注入，通过故障回收系统运行信息，可对嵌入式系统的容错性能给出客观的评价，进而为嵌入式系统设计人员改进硬件设计和软件的纠错、容错能力提供重要依据，最终实现高可靠性和高安全性的嵌入式系统运行环境。
附图说明
图1为本发明测试系统的工作原理图；
图2为本发明测试系统的硬件组成图；
图3为本发明的测试流程图；
图4为本发明嵌入式设备瞬时故障类型图；
图5为本发明嵌入式设备永久故障类型图。
具体实施方式
对嵌入式系统进行测试和评估，对嵌入式系统的软件、硬件故障容忍和恢复能力进行验证等技术，主要涉及嵌入式系统的故障模式分析、软硬件结合的故障注入方法及配套的测试系统设计技术。本发明提供用于嵌入式设备的故障注入测试系统，该测试系统主要包括三大部分：待测嵌入式设备、系统总线和地面故障注入及故障回收设备。
待测嵌入式设备一般是由结构件、连接器、CPU控制模块、各种专用接口和功能模块和飞行软件组成，内部采用各种大规模集成电路，包括CPU、可编程控制器FPGA、串行控制总线接口RS422、1553B等。
故障注入及故障回收设备是以工业控制计算机为平台搭建的故障注入及信息回收系统，用于向待测嵌入式主控设备注入故障，监测主控设备的运行状况，并在试验结束后对试验结果进行回收。
系统总线：一种信息和数据交互通道，主要用于嵌入式主控设备和地面故障注入及故障回收设备之间的数据传输和信息交互，在此系统中不改变待测主控设备的物理状态，不用额外增加硬件接口，可直接采用主控设备的总线接口，本专利采用RS422总线，也可以采用1553B、网口等。
测试系统的组成如图1所示，主要由三大部分组成：故障注入及回收设备、待测嵌入式设备和系统总线。
待测嵌入式设备：是飞行器的核心控制单元，主要负责完成导航、制导、控制算法的执行以及同外部执行机构的交互等，主控设备一般是由结构件、连接器、CPU控制模块、各种专用接口和功能模块、二次电源模块和飞行软件等组成。如图2所示，内部采用各种大规模集成电路，包括CPU、可编程存储器FPGA、存储器SDRAM、接口器件A/D、D/A，总线控制器等。
系统总线：一种信息和数据交互通道，主要用于待测嵌入式设备和故障注入及故障回收设备之间的数据传输和信息交互，在故障注入测试系统中不改变待测主控设备的物理状态，不用额外增加硬件接口，可直接采用主控设备的总线接口，本专利采用RS422总线，也可以采用1553B、网口等。
故障注入及故障回收设备：以工业控制计算机为平台搭建的故障注入及信息回收系统，采用与主控设备相同的RS422总线接口向待测嵌入式设备注入故障，监测待测嵌入式设备的运行状况，并在试验结束后对试验结果进行回收。
待测嵌入式设备的故障接收主要有两部分，一部分集成在可编程逻辑器件FPGA中，主要进行硬件故障注入；一部分集成在CPU中，主要进行软件故障注入，其中FPGA的故障注入策略需要通过CPU中转，中转介质采用内部总线（数据、地址、控制线）。待测嵌入式设备通过RS422系统总线与故障注入及故障回收设备进行数据交互，接收地面发送的故障注入指令，故障注入指令分为两类：硬件故障和软件故障。其中硬件故障注入通过对FPGA的管脚状态进行改变实现；软件故障注入通过修改CPU内部存储器、寄存器等软件状态实现；通过系统自带RS422总线对FPGA和CPU进行故障注入实现了故障注入的软硬件结合。
FPGA内部运行模块主要包括：硬件故障注入接收模块、待测硬件管脚状态更改模块。硬件故障注入接收模块：主要是通过内部数据、地址总线接收CPU故障判断中转模块发送的信息，通过数据包协议解析需要注入的硬件策略类型，并将其传递至待测硬件管脚状态更改模块；待测硬件管脚状态更改模块：根据解析的硬件策略类型对FPGA内部相关硬件管脚进行部分属性的改变，包括电平高低，持续时间长短，管脚之间的时序配合，内部寄存器状态修改等；
CPU内部运行的嵌入式软件主要包括：故障判断中转模块、软件故障注入接收模块、待测软件模块、故障结果回收及发送模块。
故障判断中转模块：主要是通过外部RS422总线接收地面故障注入及故障回收设备注入的故障信息，通过数据包协议解析判断注入的故障类型，如果是硬件故障则将数据包转发至硬件故障注入接收模块，如果是软件故障则将数据包转发至软件故障注入接收模块；
软件故障注入接收模块：主要是根据故障判断中转模块发送的数据包协议解析需要注入的软件策略类型，并将软件故障注入到待测软件模块中；
待测软件模块：飞行器主控设备内部运行的待测软件模块负责调度所有的硬件资源，是保证飞行器可靠运行的调度中心，因此其可靠性要求很高，需要对一些硬件或者软件故障具有一定的容忍能力，不论硬件或者软件故障注入都可以从待测软件模块的运行中反映出来；
故障结果回收及发送模块：进行软件或者硬件故障注入后，待测软件模块会表现出不同的运行状态，故障状态回收模块负责回收故障注入后的工作反应，并将其通过系统总线发送给地面故障回收及容错性能评估模块。
故障注入及故障回收设备内部运行模块主要包括：故障注入模式选择模块，故障注入模块，故障回收及容错性能评估模块。
故障注入模式选择模块：根据用户输入的故障属性生成相应的故障类型（硬件故障还是软件故障）、故障位置（寄存器、存储器等）等属性参数，并将这些参数传递给故障注入模块；
故障注入模块：主要是将故障参数按照规定的通信协议通过RS422总线发送给待测嵌入式设备的故障判断中转模块；
故障回收模块：通过RS422总线接收待测嵌入式设备中故障回收发送模块发送的系统工作状态数据，对数据进行分析判断注入故障对系统运行是否有影响、影响程度等，从而对待测嵌入式设备的容错性能进行评价。
上述各种功能模块主要以软件代码的形式运行在FPGA和CPU中，独立完成不同的任务分工。
如图3所示，具体的测试方法如下：
（1）故障注入及回收设备中运行的故障注入模式选择模块选择故障注入模式，故障注入模块将被选的故障注入模式通过总线发送至待测嵌入式设备；
（2）CPU接收故障注入及回收设备发送的故障注入模式，运行在CPU中的嵌入式软件通过故障判断中转模块对故障注入模式进行判断，如果故障注入模式是硬件故障注入模式，则将硬件故障注入模式转发至FPGA中的硬件故障注入接收模块，然后执行步骤（3）；如果故障注入模式是软件故障注入模式，则将软件故障注入模式发送至软件故障注入接收模块，然后执行步骤（4）；
（3）FPGA中运行的待测硬件管脚状态更改模块根据接收的硬件故障注入模式更改相关硬件管脚状态，硬件管脚状态的硬件故障结果由运行在CPU中的故障结果回收及发送模块进行回收；
（4）软件故障注入接收模块将接收的软件故障注入模式注入到待测软件模块中，待测软件模块根据软件故障注入模式产生软件故障结果，软件故障结果和硬件故障结果由故障结果回收及发送模块进行回收并通过系统总线发送至故障注入及回收设备；
（5）故障注入及回收设备中的故障回收模块接收待测嵌入式设备发送的软件故障结果和硬件故障结果，故障回收模块根据故障注入模式对软件故障结果和硬件故障结果进行处理并将处理结果进行显示，完成测试。
嵌入式系统常见故障分类：飞行器主控设备在恶劣环境下通常会出现两种故障模式：瞬时故障和永久故障，瞬时故障主要是指没有出现硬件损伤，可以通过重新执行正确读写操作或者复位恢复初始状态的故障；永久故障主要是指硬件损伤或器件烧毁，无法通过正常读写操作或者复位恢复初始状态的故障，因此嵌入式故障注入系统主要针对这两种故障模式进行模拟。瞬时故障和永久故障分类参见图4、图5所示。其中瞬时故障主要通过软件故障注入实现，永久故障主要通过硬件故障注入模拟。
硬件接口设计：总线控制器是待测嵌入式设备与地面故障注入与故障回收设备的连接通道，它采用异步串行接口通信方式，既可以接收来自地面故障注入的指令和数据，也可以将待测嵌入式设备中的测试数据返回给地面故障回收设备。总线控制器主要是利用待测嵌入式设备主机板上自带的RS422串行控制器实现，使用时需要配套的驱动程序和相应的应用软件。采用的通信帧格式为：1位起始位+8位数据位+1位停止位，没有校验位，波特率为115200bit/s。应用软件主要包括串口初始化配置以及读写数据的线程等。
软件通讯协议设计：待测嵌入式设备和地面故障注入及故障回收设备之间的信息接收或发送以一帧为单位，每一帧包括的内容约定为：<帧头><数据包标志符><数据><校验和><信息长度><帧尾>
其中具体内容定义如表1：
表1帧格式定义
表2硬件故障注入数据包标志定义
表3软件故障注入数据包标志定义
本发明未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种适用于嵌入式设备的故障注入测试系统,其特征在于：包括故障注入及回收设备和待测嵌入式设备，故障注入及回收设备与待测嵌入式设备之间通过总线相连接；故障注入及回收设备：采用工业控制计算机完成故障注入模式存储、故障注入和故障回收；待测嵌入式设备：包括通过内部总线相连接的FPGA、CPU、SDRAM和总线控制器，FPGA运行硬件检测程序用于接收硬件故障注入模式和改变待测硬件管脚状态，CPU通过总线控制器接收故障注入及回收设备注入的故障模式，CPU通过运行嵌入式软件完成硬件故障注入模式转发、对待测软件模块进行软件故障注入、硬件故障结果和软件故障结果回收及发送；SDRAM用于存储待测嵌入式软件。
2.一种利用权利要求1所述测试系统的测试方法,其特征在于步骤如下：
（1）故障注入及回收设备中运行的故障注入模式选择模块选择故障注入模式，故障注入模块将被选的故障注入模式通过总线发送至待测嵌入式设备；
（2）CPU接收故障注入及回收设备发送的故障注入模式，运行在CPU中的嵌入式软件通过故障判断中转模块对故障注入模式进行判断，如果故障注入模式是硬件故障注入模式，则将硬件故障注入模式转发至FPGA中的硬件故障注入接收模块，然后执行步骤（3）；如果故障注入模式是软件故障注入模式，则将软件故障注入模式发送至软件故障注入接收模块，然后执行步骤（4）；
（3）FPGA中运行的待测硬件管脚状态更改模块根据接收的硬件故障注入模式更改相关硬件管脚状态，硬件管脚状态的硬件故障结果由运行在CPU中的故障结果回收及发送模块进行回收；
（4）软件故障注入接收模块将接收的软件故障注入模式注入到待测软件模块中，待测软件模块根据软件故障注入模式产生软件故障结果，软件故障结果和硬件故障结果由故障结果回收及发送模块进行回收并通过系统总线发送至故障注入及回收设备；
（5）故障注入及回收设备中的故障回收模块接收待测嵌入式设备发送的软件故障结果和硬件故障结果，故障回收模块根据故障注入模式对软件故障结果和硬件故障结果进行处理并将处理结果进行显示，完成测试。
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